摘?要： 在示波法" title="示波法">示波法測量血壓的原理基礎(chǔ)上，設(shè)計和開發(fā)了血壓與血管硬度" title="血管硬度">血管硬度的無創(chuàng)" title="無創(chuàng)">無創(chuàng)檢測系統(tǒng)" title="檢測系統(tǒng)">檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MOTOROLA單片機(jī)MC68HC908JL8為控制核心，在血壓測量過程中，從采集到的血壓波形信號中高精度地提取血管硬度的有效信息，并通過大量的臨床實(shí)驗數(shù)據(jù)的分析，建立相應(yīng)的血管硬度的模型，實(shí)現(xiàn)了在無創(chuàng)血壓測量的同時，檢測出血管硬度指數(shù)、心率等多種心血管參數(shù)。臨床實(shí)驗表明，該檢測系統(tǒng)能夠較好地反映人體的血管健康狀況。
關(guān)鍵詞： 血壓; 血管硬度; 示波法; MC68HC908; 斜波比較
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目前，市場上基于示波法的電子血壓計由于操作簡便、無汞、不依賴操作者等優(yōu)勢，占據(jù)了很大的市場份額，已成為家庭、社區(qū)的日常保健儀器。但是現(xiàn)在絕大多數(shù)電子血壓計僅僅局限于血壓和心率測量，功能比較單一，不能滿足人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的保健需求。實(shí)際上，血壓測量過程中所采集到的波形信號攜帶了人體血管硬度的信息，而血管硬度是檢測亞臨床動脈硬化的一個有效參數(shù)，能夠很好地表征人體的心血管健康狀態(tài)。基于示波法的血管硬度無創(chuàng)檢測系統(tǒng)是在示波法測量血壓的過程中，將血壓波形信號以很高的精度提取并通過大量的臨床實(shí)驗數(shù)據(jù)分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了在無創(chuàng)血壓測量的同時，檢測人體動脈血管硬度、心率等多種參數(shù)。與現(xiàn)有電子血壓計相比較，該檢測系統(tǒng)在不增加硬件成本的前提下，使用戶可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)多種心血管參數(shù)的綜合檢測。
1 無創(chuàng)示波法測量血管硬度的原理
??? 動脈彈性是反映人體心血管系統(tǒng)功能的重要指標(biāo)，反映了人體心血管系統(tǒng)功能的好壞。大量研究與臨床實(shí)驗表明，動脈血管壁的彈性可以反映在受壓后的脈搏波幅值變化趨勢。從大量的實(shí)驗數(shù)據(jù)可以看出，放氣" title="放氣">放氣過程中脈搏波幅值的變化趨勢從一個側(cè)面反映了動脈彈性的好壞。動脈彈性越好，放氣過程中脈搏波幅度變化越明顯，變化趨勢圖越陡峭；動脈彈性越差，脈搏波變化趨勢越平緩。從彈性理論的觀點(diǎn)解釋：即血管壁彈性越好，越容易在釋放壓力后恢復(fù)到原來的位置[1-4]。
示波法測量血壓的過程中，首先把血壓袖帶纏繞在上臂，袖帶下緣距肘窩1～3cm。對袖帶充氣到一定壓力(超過收縮壓30mmHg)，此時袖帶下血管被阻斷，然后以2～3mmHg／s的速度開始緩慢放氣，當(dāng)袖帶壓降到一定程度，袖帶下血管開放，有血流通過，血管容積的變化通過手臂組織耦合到袖帶，引起袖帶容積的變化(袖帶壓力隨之改變)。隨著每一次心跳，袖帶內(nèi)都產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩波，并通過氣管傳到壓力傳感器。隨著袖帶內(nèi)壓力降低，脈波幅度越來越大；但是當(dāng)脈波幅值達(dá)到最大值后，繼續(xù)放氣，波動幅度卻越來越小。當(dāng)脈波幅度低于某一固定值，或者袖帶壓低于某一值(或者檢測到舒張壓)之后，開始快速放氣完成測量。
血管硬度的測量采用放氣過程中脈搏波峰值包絡(luò)線作為判斷依據(jù),如圖1所示。最大壓力波峰值的80%所對應(yīng)脈搏波曲線的寬度×4.5作為血管硬度的指數(shù)(簡稱ASI)。動脈彈性越好,其對應(yīng)脈搏波曲線的峰值變化越陡峭,動脈彈性越差,對應(yīng)脈搏波曲線的峰值變化越平緩。
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2 儀器設(shè)計
2.1 硬件設(shè)計
無創(chuàng)血管硬度檢測儀的系統(tǒng)框圖如圖2所示。整個系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：單片機(jī)（CPU）、壓力傳感器、信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、充放氣控制、鍵盤和液晶顯示。
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2.1.1 單片機(jī)
單片機(jī)采用MOTOROLA公司的MC68HC908JL8[5]，其主要特性如下：低功耗設(shè)計，等待和掉電模式，具有安全特性的8KB Flash，256B的RAM，2個16位雙通道計時器接口模塊，每個通道有可選擇的輸入捕捉、輸出比較和產(chǎn)生PWM的能力，13個通道8位A/D轉(zhuǎn)換器，快速8×8乘法指令，快速16/8除法指令，16位地址模式。
2.1.2? 壓力傳感器
壓力傳感器選用臺灣的壓阻式傳感器MPS3100，其特性如下：氣壓范圍在0～300mmHg，工作溫度范圍-40℃～
+85℃, 易用、易安裝于OEM設(shè)備,低價位SMD封裝，工作電源5V，是一款非常適合于血壓測量的傳感器。為了減小溫度對傳感器信號的影響，在電路中特意增加了溫度補(bǔ)償電路，使傳感器轉(zhuǎn)換后的信號失真更小。具體電路可見參考文獻(xiàn)[6]。
2.1.3? 信號調(diào)理電路
袖帶內(nèi)的壓力信號經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，但是此時的信號比較微弱，且還有干擾信號，所以要經(jīng)過信號調(diào)理電路對信號進(jìn)行放大和濾波后，才能獲得有效的信號。此時，還有一個更重要的問題是要對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，也就是氣壓與電壓之間的轉(zhuǎn)換問題。本系統(tǒng)利用運(yùn)算放大器組成差分輸入電路，將傳感器輸出信號差動輸入到運(yùn)放，然后利用滑動變阻器VR1進(jìn)行調(diào)解。VR1的變化會引起R26的電壓變化，這樣就可調(diào)整偏置電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)零點(diǎn)的作用，同時這個過程也對信號進(jìn)行了放大，最后由C12對信號進(jìn)行濾波。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖3所示。
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2.1.4? 充放氣控制電路
對于電磁閥和氣泵的控制，本系統(tǒng)利用單片機(jī)MC68HC908JL8的PWM功能來實(shí)現(xiàn)，即通過軟件控制信號的占空比來控制氣泵的充氣速度和閥的放氣速度。這種通過以數(shù)字方式控制模擬電路的方法，不但可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗，同時提高了對氣泵和電磁閥充放氣速度的控制精度。具體的電路實(shí)現(xiàn)如圖4所示。
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2.1.5 A/D轉(zhuǎn)換電路
本系統(tǒng)沒有直接使用成品ADC轉(zhuǎn)換芯片，而是使用斜波比較的方法來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，這是本系統(tǒng)的重要部分。具體實(shí)現(xiàn)如下：首先利用單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)電容充放電后形成類似于三角波的信號，然后將傳感器輸出的直流信號與此三角波信號相比較，由此產(chǎn)生新的脈沖信號，在單片機(jī)中計算該脈沖信號高電平（或低電平）的時間，以此來完成傳感器信號由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)利用這種方法實(shí)現(xiàn)了15位的A/D轉(zhuǎn)換功能，不但實(shí)現(xiàn)方便而且也降低了硬件成本。具體電路如圖5所示。
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2.1.6? 鍵盤和液晶顯示
顯示部分選用青云公司的液晶顯示屏LCM192641，供電電源為5V，帶有背光。控制器是KS0107，STN 黃藍(lán)模式，大小為120mm×62mm×12.5mm。測量過程中要求輸入個人資料，例如：身高、體重、年齡，還有時間的調(diào)整以及測量操作需要的按鍵。這里采用薄膜鍵盤。
2.2 軟件設(shè)計
本系統(tǒng)是在單片機(jī)MC68HC908JL8的控制下，完成血壓、血管硬度、心率的測量。測量軟件全部由匯編語言編寫而成。程序主要由測量程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成。測量程序主要是控制氣泵對袖帶充氣，控制電磁閥進(jìn)行線性放氣，對采樣的壓力值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對采樣的壓力波進(jìn)行峰值識別，獲得壓力波峰值的包絡(luò)線，計算血壓、血管硬度指數(shù)和心率。中斷服務(wù)程序主要是進(jìn)行信號的采樣和對采樣后的信號進(jìn)行預(yù)處理。具體的測量流程如圖6所示。
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為了驗證本系統(tǒng)的可靠性，2007年8月在天津中醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院心臟科，對本系統(tǒng)和安徽中科智能高科技有限公司研制的AZN-F型心血管健康監(jiān)測儀進(jìn)行了同步實(shí)驗，一共檢測了32例受試者（男性20名，女性12名，年齡在20～55之間）的心血管參數(shù)，并將所得測量結(jié)果進(jìn)行了對比。表1列出了本次對比實(shí)驗的部分測量結(jié)果。
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測量結(jié)果顯示，由本系統(tǒng)測量得到的血管硬度與AZN-F型心血管健康監(jiān)測儀測量的血管硬度有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.79。實(shí)驗結(jié)果表明，利用本系統(tǒng)可以較好地反映血管的硬度。
通過本文設(shè)計的基于示波法的血管硬度無創(chuàng)檢測系統(tǒng)與AZN-F型心血管健康監(jiān)測儀對32位受試者進(jìn)行的對比實(shí)驗表明：基于示波法的血管硬度無創(chuàng)檢測系統(tǒng)有很好的重復(fù)性，在一定程度上能夠反映出受試者的心血管健康狀況。該系統(tǒng)操作方便快捷，結(jié)果簡單、直觀,重量輕,體積小,適合個人及家庭的心血管健康狀況快速的檢測，對心血管的保健和預(yù)防起到了很好的指導(dǎo)作用。
參考文獻(xiàn)
[1]?王晉.血管硬度測試儀的研制.碩士論文.重慶:重慶大學(xué)出版社，2003.
[2]?朱燕秋,楊浩,何為.血管硬化指數(shù)的測量方法與臨床應(yīng)用研究[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2005,20(9):?13-15.
[3]?張維忠.動脈彈性功能檢測的理論與實(shí)踐(上)[J]. 心腦血管病防治, 2003,3(4):1-2.
[4]?張維忠.動脈彈性功能檢測的理論與實(shí)踐(下)[J].心腦血管病防治, 2003,3(5):3-4.
[5]?劉慧銀,程建平,龔光華，等.Motorola微控制器MC68HC08原理及其嵌入式應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2001.
[6]?趙學(xué)玲,徐可欣,張樂石,等.基于ARM的便攜式心血管無創(chuàng)檢測系統(tǒng)[J],電子技術(shù)應(yīng)用，2007,33(8):133-135.